淺談供配電工程設計中充電樁的諧波

王曉昭

安科瑞電氣股份有限公司

摘要：在供配電工程的設計中，近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)充電樁的供配電設計數量在不斷增加，業(yè)內對充電樁的認知存在不同的理解，有專(zhuān)家學(xué)者研究表明充電樁工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生諧波電流，對電網(wǎng)電能質(zhì)量影響很大，需設置專(zhuān)用的濾波裝置，對諧波進(jìn)行治理。由于濾波裝置工程造價(jià)高，占工程總體投資的比重大，在工程設計中需按照符合規范、安全可靠、經(jīng)濟適用的原則進(jìn)行設計?，F對充電樁、諧波的相關(guān)知識、工程實(shí)際進(jìn)行討論、學(xué)習、進(jìn)步，總結出較為合理的治理方式，建議中小規模充電樁的建設中不設置專(zhuān)用的濾波裝置。

關(guān)鍵詞：充電樁；供配電設計；電能質(zhì)量；諧波治理

1、引言

電動(dòng)汽車(chē)充電樁的供配電設計數量在不斷地增加，充電樁工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生諧波，需要治理的聲音也不時(shí)發(fā)出，充電樁配電工程中是否需要設置專(zhuān)用的濾波裝置是每個(gè)設計人員要面對的選擇，成為設計方案中關(guān)注的部分，同時(shí)這也關(guān)系到總體工程的投資成本，不得不引起重視，既要符合充電樁設計規范，又要安全可靠、經(jīng)濟合理。為更好地完成充電樁配電工程的設計工作，在深入研究設計規范的同時(shí)，還需對充電樁、諧波有進(jìn)一步的認知。

隨著(zhù)我國經(jīng)濟社會(huì )和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新時(shí)期人們對于高品質(zhì)生活的追求也在逐漸提高，特別是在文化追求方面，人們的需求日益多樣，當前廣播電視臺發(fā)展過(guò)程中，由于相關(guān)的設備規模和數量不斷增加，電視臺工程的電力負荷也在逐漸增加，這進(jìn)一步對無(wú)功補償的技術(shù)提出了新的挑戰，諧波對于廣播電視臺也產(chǎn)生了嚴重威脅，在這方面，要不斷實(shí)施諧波和無(wú)功補償措施，從而使整個(gè)廣播電視臺的相關(guān)電力系統穩定有序。

2、諧波

什么是諧波呢？諧波是一個(gè)物理學(xué)名詞，為更好地理解定義，需要了解波的一些常識，有水波、聲波、電磁波等，如水中投石，以中心點(diǎn)不斷向外推動(dòng)傳送水的波紋，具有振蕩傳送、周期性波動(dòng)等特性，無(wú)線(xiàn)電波也是電磁波的一種。

本文所說(shuō)的諧波，是指在工頻交流電網(wǎng)中由于不同因素產(chǎn)生的波形，它們寄生于正弦交流電50HZ的波形中，把頻率為50HZ的正弦波形定義為基波，那么諧波的頻率就是基波頻率的整倍數存在，就如圖1所示的3次諧波與5次諧波。

圖1 基波和諧波

非線(xiàn)性負載是諧波的起因，在業(yè)內是沒(méi)有爭議的。狹義的諧波就是上面定義的特性，但寄生在電網(wǎng)中的很多波形也可稱(chēng)之為諧波，不管頻率和波形都與基波有很大的差異，這部分波形也是諧波（廣義）。關(guān)系的諧波才是我們要關(guān)注的。由于非線(xiàn)負載的不同，諧波電流是6N±1生成規律，產(chǎn)生的諧波從5、7、11、13、17、19次不等，特殊設備會(huì )產(chǎn)生更高的諧波如23次。非線(xiàn)負載不單生成奇次諧波，同時(shí)也有偶次諧波的產(chǎn)生，但由于電網(wǎng)三相對稱(chēng)系統，不會(huì )含有偶次諧波和3的整倍數諧波，對電網(wǎng)影響大的主要是5次到19次諧波，越高次的諧波，衰減得越快，出現得越少，而且諧波電流越小。

圖2 電網(wǎng)內諧波

通過(guò)圖2所示就可以看出，Dyn11型變壓器進(jìn)線(xiàn)繞組以三角形聯(lián)結方式具有隔絕3次諧波電流的功能，這里在變壓器低壓側其實(shí)是存在偶次諧波的，如2、4、6、8次等諧波，因變壓器及電網(wǎng)的三相對稱(chēng)性，偶次諧波不會(huì )傳到10KV電網(wǎng)，僅存在于220V的相線(xiàn)和N線(xiàn)之間，未在圖中表示出來(lái)。

分析了一些諧波的基本知識后，再來(lái)簡(jiǎn)略看一下諧波的危害：會(huì )引起變壓器的溫度升高、銅損、噪聲等級變大；當諧波的頻率與電容器的容量、電網(wǎng)內的感抗形成諧振后，易造成電容器過(guò)電流、過(guò)電壓擊穿燒壞；引起電動(dòng)機的發(fā)熱；各級保護斷路器的誤動(dòng)作；對通信系統的干擾；增加輸電線(xiàn)路的線(xiàn)路損耗；造成低壓系統中性線(xiàn)的過(guò)流過(guò)熱。

3、充電樁

充電樁：能對電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池進(jìn)行充電的裝置，主要分為直流型和交流型。交流充電樁只是為電動(dòng)汽車(chē)直流充電機提供交流輸入接口，并計費計量，本體沒(méi)有整流設備，不產(chǎn)生諧波，從而未設置濾波模塊；但不排除由于車(chē)載直流充電機傳播3次諧波及偶次諧波的可能，在供配電交流樁的設計中需注意電纜至電纜分接箱，中性線(xiàn)的選擇上要和相線(xiàn)的截面一致，以防止偶次諧波造成中性線(xiàn)電流過(guò)大的超溫故障。

目前直流充電樁普遍采用有源濾波模塊與ＰＷＭ整流器充電功率模塊組成，其特點(diǎn)是無(wú)工頻變壓器，功率因數高，電網(wǎng)側電流諧波較小，注入電網(wǎng)的諧波的總畸變率可以小于5%，是對電動(dòng)汽車(chē)充電站進(jìn)行供配電設計選型時(shí)需注意的。相對而言，電壓型的ＰＷＭ整流器比電流型PWM整流器配置要簡(jiǎn)單，對電網(wǎng)的諧波電流更小。

4、PWM整流技術(shù)、PFC功率因數校正技術(shù)

圖3 PWM整流器（電壓源型）拓撲結構圖

PWM整流技術(shù)是采用脈寬調制的控制技術(shù)（如圖3），利用微處理器的控制把交流變換為直流的一種方式，它的特點(diǎn)是取消了工頻變壓器，體積變小，降低了諧波電流的輸出。充電功率模塊采用的主要元器件是IGBT模塊（絕緣柵雙極型晶體管）。

PFC技術(shù)主要是功率因數的校正，現在直流充電功率模塊電路中，普遍把二者進(jìn)行了整合，結合各自的優(yōu)點(diǎn)，具有輸出諧波小、功率因數高等特性。

5、供配電設計

在充電站的設計中，需要注意的一個(gè)問(wèn)題，就是無(wú)功補償。按南網(wǎng)電動(dòng)汽車(chē)充電站典型設計方案是不配置無(wú)功補償的，從充電樁的技術(shù)特性分析是不應配置無(wú)功補償，一是因充電樁的功率因數很高，無(wú)需設置，二是普通電容補償易與充電樁的諧波發(fā)生諧振，放大諧波電流，造成電容器過(guò)電流、過(guò)電壓擊穿燒壞。

還有就是在充電站變壓器的選型時(shí)，不能選用YynO型變壓器，不然3次諧波會(huì )進(jìn)入10KV電網(wǎng)。供配電的設計人員，在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)充電樁的供配電設計時(shí)，選用電能質(zhì)量滿(mǎn)足規范要求的充電機類(lèi)型，這樣在供配電設計中就不需配置專(zhuān)用的有源濾波裝置。

6、安科瑞諧波治理產(chǎn)品選型

6.1功能介紹

ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統中，能夠對動(dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補償。

ANAPF系列有源電力濾波器通過(guò)CT采集系統諧波電流，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過(guò)功率執行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統中，從而抵消非線(xiàn)性負載所產(chǎn)生的諧波電流。

6.2產(chǎn)品選型

6.3技術(shù)參數

7、總結

綜上所述，在非線(xiàn)性負載投入使用的比重逐步上升后，諧波已經(jīng)在充電樁配電工程中產(chǎn)生較大影響，充電樁配電工程的電能質(zhì)量及諧波治理問(wèn)題逐漸重視起來(lái)。有源電力濾波器的投入使用，便是解決諧波治理問(wèn)題的重要開(kāi)端，隨著(zhù)科技水平的不斷進(jìn)步，治理電網(wǎng)諧波必定會(huì )更加迅速，更加達到效果。

【參考文獻】

1. 梁國燦.供配電工程設計中充電樁的諧波治理[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟,2020

2. 王晗，洪建軍等.工廠(chǎng)供配電系統中電氣火災研究與防范要點(diǎn)[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟，2018

3. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2020.6版

4. 安科瑞電能質(zhì)量監測與治理選型手冊.2019.11版

作者簡(jiǎn)介：

王曉昭，女，本科，安科瑞電氣制造有限公司，主要從事智能電網(wǎng)供配電相關(guān)的研究和應用

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